Wendelstein 7-X - Wendelstein 7-X

Wendelstein 7-X
Wendelstein7-X Torushall-2011.jpg
W7-X w 2011 r.
Rodzaj urządzenia Stellarator
Lokalizacja Greifswald , Niemcy
Przynależność Instytut Fizyki Plazmy im. Maxa Plancka
Specyfikacja techniczna
Główny promień 5,5 m (18 stóp)
Mały promień 0,53 m (1 stopa 9 cali)
Objętość plazmy 30  m 3
Pole magnetyczne 3 tony (30 000 gramów)
Moc grzewcza 14  MW
Temperatura plazmy (6-13) × 10 7  K
Historia
Rok (lata) działalności 2015–obecnie
Poprzedzony Wendelstein 7-AS
Schemat stellaratora - układ cewek (niebieski), plazma (żółty), linia pola magnetycznego (zielona) na powierzchni plazmy.
Kompleks badawczy Wendelstein 7-X w Greifswaldzie, po lewej sala eksperymentalna.
Nadprzewodnikowe linie zasilające podłączone do nadprzewodzących cewek planarnych, 2008
Budowa w maju 2012. Widoczny torus, przesunięty w celi testowej oraz duża suwnica. Zwróć uwagę pracowników na skalę.
Szerokokątny widok wewnątrz stellaratora , ukazujący płyty osłonowe ze stali nierdzewnej i chłodzone wodą miedziane płyty podkładowe, które ostatecznie zostaną pokryte płytkami grafitowymi i będą działać jako pancerz chroniący przed interakcjami plazmy ze ścianą.

Wendelstein 7-X (w skrócie W7-X ) Reaktor jest eksperymentalnym stellaratora wybudowany w Greifswaldzie , Niemcy , przez Instytut Maxa Plancka Fizyki Plazmy (IPP), a zakończono w październiku 2015. Jego celem jest postęp technologii Stellarator: choć eksperymentalny reaktor nie będzie wytwarzał energii elektrycznej, służy do oceny głównych elementów przyszłej elektrowni termojądrowej ; został opracowany na podstawie poprzednika eksperymentalnego reaktora Wendelstein 7-AS .

Od 2015 r. reaktor Wendelstein 7-X jest największym urządzeniem stellaratora. Został zaprojektowany w celu osiągnięcia zamknięcia do 30 minut ciągłego wyładowania plazmowego w 2021 roku, demonstrując w ten sposób istotną cechę przyszłej elektrowni termojądrowej: ciągłą pracę.

Nazwa projektu, nawiązująca do góry Wendelstein w Bawarii, została przyjęta pod koniec lat 50. XX wieku, nawiązując do wcześniejszego projektu Uniwersytetu Princeton pod nazwą Project Matterhorn .

Placówka badawcza jest niezależnym projektem partnerskim Instytutu Fizyki Plazmy im. Maxa Plancka z Uniwersytetem w Greifswaldzie .

Projekt i główne komponenty

Urządzenie Wendelstein 7-X bazuje na pięciookresowej konfiguracji Helias . Jest to głównie toroid , składający się z 50 niepłaskich i 20 płaskich nadprzewodzących cewek magnetycznych o wysokości 3,5 m, które indukują pole magnetyczne zapobiegające zderzeniu plazmy ze ściankami reaktora. 50 cewek niepłaskich służy do regulacji pola magnetycznego. Jego celem jest gęstość plazmy 3 × 10 20 cząstek na metr sześcienny i temperatura plazmy 60–130  megakelwinów (MK).

Głównymi elementami są cewki magnetyczne, kriostat , naczynie plazmowe, dywertor i systemy grzewcze.

Cewki ( NbTi w aluminium) są rozmieszczone wokół płaszcza termoizolacyjnego o średnicy 16 metrów, zwanego kriostatem. Urządzenie chłodzące wytwarza wystarczającą ilość ciekłego helu, aby schłodzić magnesy i ich obudowę (około 425 ton „zimnej masy”) do temperatury nadprzewodnictwa (4 K). Cewki przeniosą prąd 12,8 kA i wytworzą pole do 3  tesli .

Naczynie plazmowe, zbudowane z 20 części, jest od wewnątrz dostosowane do złożonego kształtu pola magnetycznego. Posiada 254 porty (otwory) do nagrzewania plazmowego i diagnostyki obserwacyjnej. Cały zakład zbudowany jest z pięciu niemal identycznych modułów, które zostały zmontowane w hali eksperymentalnej.

System grzewczy zawiera 10 megawatów mikrofal do nagrzewania elektronowego cyklotronu rezonansowego (ECRH), które mogą działać w sposób ciągły i mogą dostarczyć 80 MJ w fazie 1.2. W fazie operacyjnej 2 (OP-2), po zakończeniu pełnego zbroi/chłodzenia wodą, przez 10 sekund dostępne będzie również do 8 megawatów wstrzykiwania wiązki neutralnej . System jonowego cyklotronowego ogrzewania rezonansowego (ICRH) zostanie udostępniony do operacji fizycznych w OP1.2.

System czujników i sond oparty na różnych uzupełniających się technologiach będzie mierzył kluczowe właściwości plazmy, w tym profile gęstości elektronowej oraz temperatury elektronów i jonów, a także profile ważnych zanieczyszczeń plazmy i promieniowej energii elektrycznej pole wynikające z transportu elektronów i cząstek jonów.

Historia

Niemiecki układ finansowania projektu został wynegocjowany w 1994 roku, ustanawiając Instytut Oddziału IPP w Greifswaldzie w północno-wschodnim zakątku niedawno zintegrowanych Niemiec Wschodnich . Jego nowy budynek ukończono w 2000 roku. Pierwotnie oczekiwano, że budowa stellaratora zostanie ukończona w 2006 roku. Montaż rozpoczął się w kwietniu 2005 roku. Problemy z cewkami trwały około 3 lata. Harmonogram przesunął się pod koniec 2015 roku.

Amerykańskie konsorcjum składające się z trzech laboratoriów (Princeton, Oak Ridge i Los Alamos) zostało partnerem projektu, płacąc 6,8 mln euro z ostatecznego całkowitego kosztu 1,06 mld euro. W 2012 roku Uniwersytet Princeton i Towarzystwo Maxa Plancka ogłosiły utworzenie nowego wspólnego centrum badawczego w dziedzinie fizyki plazmy, które ma obejmować badania nad W7-X.

Zakończenie fazy budowy, która wymagała ponad 1 miliona godzin montażu, została oficjalnie uświetniona ceremonią inauguracji w dniu 20 maja 2014 r. Po okresie kontroli szczelności statku, który rozpoczął się latem 2014 r., kriostat został ewakuowany , a testy magnesów zakończono w lipcu 2015 r.

Pierwsza faza eksploatacji (OP1.1) rozpoczęła się 10 grudnia 2015 r. W tym dniu reaktor z powodzeniem wytwarzał plazmę helową (o temperaturze ok. 1 MK) przez ok. 0,1 s. W tym wstępnym teście z około 1 mg gazowego helu wstrzykiwanego do próżniowego naczynia plazmowego zastosowano ogrzewanie mikrofalowe dla krótkiego impulsu 1,3 MW.

Celem OP 1.1 było jak najszybsze przeprowadzenie zintegrowanych testów najważniejszych systemów i zdobycie pierwszych doświadczeń z fizyką maszyny.

W grudniu i styczniu przeprowadzono ponad 300 wyładowań z użyciem helu przy stopniowo rosnących temperaturach, które w końcu osiągnęły sześć milionów stopni Celsjusza, w celu oczyszczenia ścian naczynia próżniowego i przetestowania systemów diagnostycznych plazmy. Następnie, 3 lutego 2016 r., rozpoczęto program naukowy produkcji pierwszej plazmy wodorowej. Plazmy o najwyższej temperaturze zostały wytworzone przez czteromegawatowe impulsy grzejnika mikrofalowego trwające jedną sekundę; temperatura elektronów plazmy osiągnęła 100 MK, podczas gdy temperatura jonów osiągnęła 10 MK. Przed zamknięciem przeprowadzono ponad 2000 impulsów.

Takie testy miały trwać około miesiąca, po czym miały nastąpić zaplanowane wyłączenia w celu otwarcia naczynia próżniowego i wyłożenia go ochronnymi płytkami węglowymi oraz zainstalowania „dektora” do usuwania zanieczyszczeń i ciepła z plazmy. Program naukowy kontynuowano, stopniowo zwiększając moc i czas trwania rozładowania. Specjalna topologia pola magnetycznego została potwierdzona w 2016 roku.

Faza operacyjna 1 (OP1.1) zakończyła się 10 marca 2016 r. i rozpoczęła się faza modernizacji.

W 2017 r. kontynuowano fazę operacyjną 1 (OP1.2) w celu przetestowania (niechłodzonego) rozdzielacza.

Wendelstein 7-X podczas OP1.2b

Faza operacyjna 2 (OP2) planowana jest na koniec 2021 r., aby przetestować chłodzony dywer. Z powodu COVID-19 aktualizacja została nieco spowolniona/opóźniona; Oczekuje się, że eksperymenty z plazmą zostaną wznowione nie wcześniej niż w 2022 roku.

W czerwcu 2018 r. rekordowa temperatura jonów wynosząca około 40 milionów stopni, gęstość 0,8 × 10 20 cząstek/m 3 i czas uwięzienia 0,2 sekundy dały rekordowy produkt syntezy 6 × 10 26 stopni-sekund na metr sześcienny.

Podczas ostatnich eksperymentów w 2018 roku gęstość osiągnęła 2 × 10 20 cząstek/m 3 w temperaturze 20 mln stopni. Przy dobrych wartościach plazmy uzyskano długotrwałe plazmy z długimi czasami wyładowania wynoszącymi 100 sekund. Zawartość energii przekroczyła 1 megadżul.

W 2021 r. analiza danych ze spektrometru kryształów do obrazowania rentgenowskiego zebranych w eksperymencie z 2018 r. znacznie zmniejszyła kłopotliwe straty ciepła w transporcie neoklasycznym . Zderzenia między rozgrzanymi cząsteczkami powodują ucieczkę niektórych z pola magnetycznego. Wynikało to z optymalizacji klatki pola magnetycznego, która była niezbędna do osiągnięcia rekordowych wyników.

Oś czasu

Data Wydarzenie
1980 Rozpoczęto planowanie
1994 Projekt rozpoczęty
2005 Rozpoczęto montaż
2014 Zapoczątkowany
grudzień 2015 Rozpocznij fazę operacyjną OP1.1
2015 Pomyślny test plazmy helowej przy 1 MK przez ~0,1 s
2016 Plazma wodorowa przy 80 MK przez 0,25 s
Marzec 2016 Zakończ OP1.1, rozpocznij fazę aktualizacji
Czerwiec 2017 Rozpocznij fazę operacyjną OP1.2
czerwiec 2018 Potrójny produkt Fusion 6 × 10 26 stopni-sekunda/m 3
Listopad 2018 Zakończ OP1.2, rozpocznij fazę aktualizacji
~2022 (planowane) OP2 (praca w stanie ustalonym)

Finansowanie

Wsparcie finansowe projektu pochodzi w około 80% z Niemiec i około 20% z Unii Europejskiej. 90% funduszy niemieckich pochodzi od rządu federalnego, a 10% od rządu stanowego Meklemburgii-Pomorza Przedniego . Całkowity koszt inwestycji w sam stellarator w latach 1997–2014 wyniósł 370 mln euro, podczas gdy całkowity koszt obiektu IPP w Greifswaldzie, w tym inwestycje plus koszty operacyjne (zasoby osobowe i materiałowe), wyniósł 1,06 mld euro w ciągu 18 lat. Przekroczyło to pierwotne szacunki budżetowe, głównie dlatego, że początkowa faza rozwoju była dłuższa niż oczekiwano, podwajając koszty personelu.

W lipcu 2011 roku prezes Towarzystwa Maxa Plancka , Peter Gruss , ogłosił, że Stany Zjednoczone przekażą 7,5 miliona dolarów w ramach programu „Innovative Approaches to Fusion” Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych .

Współpracujące instytuty

Unia Europejska

Stany Zjednoczone

Japonia

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki

Współrzędne : 54,073°N 13,424°E 54°04′23″N 13°25′26″E /  / 54.073; 13.424